Calcite và sự tạo tủa của Calcite ứng dụng trong gắn vết nứt bê tông

Bê tông là một vật liệu không thể thiếu trên thế giới, theo thời gian sử dụng, bê tông xuất hiện các vết nứt và các lỗ nhỏ trên bề mặt, nguyên nhân là do tác động từ điều kiện tự nhiên, do phải chịu trọng tải lượng lớn, do kết cấu bê tông thiếu khả năng chịu lực hoặc do sụt lút nền móng. Từ đó, các nhà khoa học đã nghĩ đến việc nghiên cứu ra một loại bê tông tự liền nhờ khả năng tạo tủa Calcite do vi sinh vật gây ra (MICCP: Microbially induced calcium carbonate precipitation) như một loại xi măng sinh học.

CALCITE VÀ SỰ TẠO TỦA CỦA CALCITE ỨNG DỤNG TRONG GẮN VẾT NỨT BÊ TÔNG Nguyễn Thị Hậu, Phan Nguyễn Nhật Đăng, Nguyễn Thị Thanh Trang Viện Khoa học Ứng dụng HUTECH, Trường Đại học Cơng nghệ TP Hồ Chí Minh GVHD: ThS Vũ Thị Tuyết Nhung TÓM TẮT Bê tông vật liệu thiếu giới, theo thời gian sử dụng, bê tông xuất vết nứt lỗ nhỏ bề mặt, nguyên nhân tác động từ điều kiện tự nhiên, phải chịu trọng tải lượng lớn, kết cấu bê tông thiếu khả chịu lực sụt lút móng Việc sửa chữa cơng trình địi hỏi chi phí cao tốn nhiều cơng sức lao động Từ đó, nhà khoa học nghĩ đến việc nghiên cứu loại bê tông tự liền nhờ khả tạo tủa Calcite vi sinh vật gây (MICCP: Microbially induced calcium carbonate precipitation) loại xi măng sinh học Từ khóa: Kết tủa Calcite, Calcite, xi măng sinh học, MICCP Giới thiệu Ban đầu đặt tên khoáng chất Gaius Plinius Secundus (Pliny trưởng lão) vào năm 79 từ Calx, tiếng Latinh có nghĩa Vơi Sau vào kỷ 19 Calx trở thành Calcit tiếng Đức, cuối Calite, có nghĩa Đá vơi Calcite loại khống chất tạo đá có cơng thức hóa học CaCO3, chiếm 4% vỏ trái đất Nó phổ biến tìm thấy khắp giới đá trầm tích, biển, núi lửa Một số nhà địa chất coi “khống sản có mặt khắp nơi” – loại tìm thấy khắp nơi Màu sắc calcite giao động từ vàng đồng, da cam, màu mâm xơi, hồng dịu đến tím hoa cà, nâu, xanh da trời chí xanh Thân xa nhỏ tạo cho calcite có màu đỏ máu Màu xanh cây, xanh da trời lam calcite có lẫn tạp chất đồng carbonat Biến thể calcite suốt gọi calcite quang học hay spat Aixolen; loại tinh thể có tính chất đặc biệt “phân đơi” hình ảnh có tính lưỡng chiết quang cao 443 Hình 1: Các loại đá calcite Calcite, aragonit vaterit ba dạng đa hình tinh thể canxi cacbonat hệ vi khuẩn, với calcite dạng đa hình cacbonat vi khuẩn ổn định phổ biến (Rodriguez-Navarro et al., 2012) Sự khống hóa vi khuẩn aragonit, thường đại diện cho dạng đa hình di căn, báo cáo (Pedoneet al., 2010) Việc tạo dạng đa hình calcite, aragonit vaterit phụ thuộc vào môi trường phát triển chúng chủng vi khuẩn Người ta báo cáo vi khuẩn khác kết tủa loại canxi cacbonat khác chủ yếu dạng tinh thể hình cầu đa diện (Caveraset al., 2001) Các khống chất cacbonat vi khuẩn gây thường báo cáo số lượng lớn vi khuẩn, chẳng hạn vi khuẩn lam (Jansson Northen, 2010), vi khuẩn khử sulphat (Warthmannet al., 2000), Bacillus (Goddette et al., Năm 1992; Betzelet al., 1998; Jørgensenet al., 2000), Myxococcus (Rodriguez-Navarro et al., 2003; Gonzalez-Muñozet al., 2010), Vi khuẩn halobacteria (S ¢ nchez-Rom ¢ n et al., 2011) Pseudomonas (Jha et al., 2009) Grothet al (2001) kiểm tra khả tạo tinh thể vi khuẩn hang động phát tất tạo calcite ngoại trừ Bacillus sp., vaterites kết tủa Rodriguez-Navarroet al (2003) báo cáo M xanthus tạo kết tủa calcite vaterit Bằng chứng cho thấy vi khuẩn không ảnh hưởng trực tiếp đến hình thái canxi cacbonat lựa chọn đa hình (Chekrounet al., Năm 2004; Bosaket al., 2005; Rodriguez-Navarroet al., 2012) Thay vào đó, đặc điểm hình thái bị ảnh hưởng thành phần mơi trường ni cấy, cấu trúc bên ngồi vi khuẩn cụ thể chất hóa học chúng, quan trọng trình kết tinh vi khuẩn (Gonzalez-Mozet al.,2010) Sự tạo tủa calcite vi khuẩn Calcite thể đặc điểm bất thường gọi khả hòa tan ngược, có nghĩa trở nên hịa tan nước nhiệt độ tăng Khi tạo điều kiện thuận lợi cho kết tủa, Calcite lấp đầy vết đứt gãy tạo thành lớp phủ khống chất kết dính hạt đá có với Khi điều kiện hòa tan thuận lợi, việc loại bỏ calcite làm tăng đáng kể độ xốp độ thấm đá Khi điều tiếp tục thời gian dài, hình thành hang động xảy Calcite xuất khống chất dạng mạch trầm tích từ suối nước nóng hang động dạng nhũ đá măng đá Sự kết tủa canxi carbonat vi sinh vật gây (MICCP: Microbially induced calcium carbonate precipitation) trình sinh học xảy tự nhiên, vi sinh vật tạo vật liệu vô phần hoạt động trao đổi chất chúng Đây phương pháp có ứng dụng tiềm khơng gây ô nhiễm môi trường giới thiệu lĩnh vực cải tiến đất Các ứng dụng phương pháp cho thấy tiềm lĩnh vực khác cải thiện độ bền bê tông, gạch, độ cứng đất,…Quá trình MICCP phương pháp thay phương pháp thông thường trát xi măng, đầm nén bơm epoxy Tuy nhiên phương pháp có mặt giới hạn MICCP có nhiều ứng dụng loại bỏ kim loại nặng, loại bỏ hạt phóng xạ, cải thiện chất liệu vật liệu xây dựng hấp thụ CO2 khí Sử dụng phương pháp MICCP phương pháp đầy hứa hẹn, thay cho 444 công nghệ xử lý thông thường giải vấn đề mội trường nhiều lĩnh vực (Periasamy Anbu ctv, 2016) Trong suốt trình MICCP, vi sinh vật có khả tiết nhiều sản phẩm trao đổi chất (CO32) phản ứng với ion (Ca2+) môi trường kết tạo kết tủa khoáng sản Trước tự nhiên, vi khuẩn tạo kết tủa calcite nhiều chế khác bao gồm: quang hợp, thủy phân urea, khử sulfate, oxy hóa kỵ khí sulfide, oxy hóa methane, đường tạo biofilm hợp chất polymer ngoại bào Tuy nhiên, kết tủa calcite vi sinh vật thông qua thủy phân urea phương pháp sử dụng rộng rãi (Arias JL Fernaandez MS, 2008; Castanier S ctv, 1999; De Muynck W ctv, 2010; Dhami NK ctv, 2013; Hammes F ctv, 2003; Kawaguchi T Decho AW, 2002; Mc Connaughey TA Whelan FF, 1997; Stocks-Fischer S ctv, 1999; Thompson JB Feris FG, 1990; Warthmann R ctv, 2000).Nhiều nghiên cứu tập trung vào đường thủy phân urea đại diện vi khuẩn Sprorosarcina pasteurii (thường gọi Bacillus pasteurii) Chủng vi khuẩn phân lập đất, chúng có đặc điểm sản sinh lượng enzyme urease cao, không gây bệnh, sản sinh bào tử, đặc biệt có khả tạo kết tủa calcite Ngồi ra, số nghiên cứu giới phân lập chủng vi khuẩn tạo calcite như: L spharicus CH5, K flava CR1, B megaterium SS3, B.thuringiensis, Halomonas sp SR4, Helicobacter pylori, Proteus vulgaris, Staphylococcus aureus Pseudomonas aeruginosa Đặc điểm chung chủng vi khuẩn khả sản xuất enzyme urease Tốc độ kết tủa CaCO3 hàm tuyến tính phụ thuộc vào tích nồng độ ion Ca22+ CO32-, đó, theo động học bậc hai giả động học bậc có dư thuốc thử Vi khuẩn ảnh hưởng đến độ bão hịa tiếp cận tốc độ kết tủa cacbonat cách kiểm soát đa hình tinh thể CaCO3 sản xuất Quá bão hịa (S) đạt tích số hịa tan (Ksp) vượt nồng độ [Ca2+] [CO32-] Sự kết tủa CaCO3 ưu tiên với mức siêu bão hịa cao xác định Cơng thức (1) (1) Sự kết tủa calcite thông qua trình thủy phân urê vi khuẩn phân giải urê chế đơn giản dễ kiểm soát MICCP với khả tạo lượng lớn cacbonat thời gian ngắn Trong trình hoạt động urease vi sinh vật, mol urê bị thủy phân tế bào thành mol amoniac mol cacbonat (Phương trình 2), chúng tự nhiên bị thủy phân để tạo thành mol amoniac axit carbonic (Phương trình 3) sau: CO(NH2)2 + H2O →(urease) NH2COOH + NH3 (2) NH2COOH + H2O → NH3 + H2CO3 (3) 445 H2CO3  HCO3- + H+ (4) 2NH3 + 2H2O  2NH4+ + 2OH- (5) Ca2+ + cell → cell – Ca2+ (6) HCO3- + H+ + 2OH-  CO32- + 2H2O (7) cell – Ca2+ + CO32- → cell – CaCO3 (8) Bề mặt tế bào vi khuẩn thường tích điện âm, gắn cation hóa trị hai Ca2+ Mg2+ Chi tiết hơn, chế kết tủa bắt đầu thủy phân urê, tạo axit cacbamic amoniac (Phương trình (2)) Sự phân hủy tự phát axit cacbamic tạo axit cacbonic amoniac (Phương trình (3)) Amoniac axit cacbonic cân dạng proton hóa depro hóa chúng mơi trường nước, điều chỉnh độ pH (Phương trình (4) (5)) Trên thực tế, hình thành amoniac làm tăng độ pH lên đến 9,2, hỗ trợ q trình khống hóa sinh học canxi cacbonat Phản ứng tiếp tục theo hướng kết tủa canxi cacbonat cách liên kết ion Ca2+ với bề mặt tế bào vi khuẩn (Phương trình (6)) Nồng độ cao ion cacbonat canxi bề mặt vi khuẩn, đóng vai trị vị trí tạo mầm, thúc đẩy kết tủa canxi cacbonat (Phương trình (7) (8)) liên kết củng cố vật liệu hư hỏng cấu trúc lịch sử Enzyme urease Một số tác giả nghiên cứu điều kiện khác kết tủa canxi cacbonat thơng qua q trình thủy phân urê Tuy nhiên, vai trò thực vi khuẩn kết tủa vấn đề tranh luận Một số tác giả tin kết tủa sản phẩm phụ không mong muốn ngẫu nhiên trình trao đổi chất (Knorre Krumbein, 2000) người khác nghĩ q trình cụ thể với lợi ích sinh thái cho sinh vật kết tủa (Ehrlich, 1996; Mc Connaughey Whelan, 1997) Những vi khuẩn bao gồmBacillus pasteurii, Pseudomonas sp., Variovorax sp., Leuconostoc mesenteroides, Micrococcus sp., Bacillus subtilis, Deleya halophila, Halomonas eurihalina Myxococcus xanthus (Mobley Hausinger, 1989; Rivadeneyra cộng sự, 1991, 1996, 1998; Ferris Stehmeier, 1992; Stocks-Fischer cộng sự, 1999; Tiano cộng sự, 1999; Castanier cộng sự, 2000; Fujita cộng sự, 2000; RodriguezNavarro cộng sự, 2003) Ứng dụng kết dính bê tơng Được khai thác rộng rãi cho nhiều mục đích sử dụng khác nhau, đặc tính Calcite làm cho trở nên hữu ích cho mục đích cơng nghiệp Chẳng hạn xi măng, đá vôi, đá xây dựng đá cẩm thạch, chất bổ sung nông nghiệp, cải tạo đất, ổn định đất, dược phẩm, chất màu làm chất mài mòn, danh sách sử dụng phong phú Tiềm công nghệ MICCP việc phục hồi khối vữa xi măng, củng cố cát sửa chữa di tích đá vơi, giảm độ thấm nước ion clorua bê tông, lấp đầy lỗ rỗng vết nứt bê tông, 446 tăng cường độ bền gạch thông qua đường thủy phân urê nhiều người nghiên cứu Các nhà nghiên cứu (Ramakrishnan, 2007; Sarda cộng sự, 2009; Al Qabany, 2011; Chu cộng sự, 2011; Dhami cộng sự, 2012a; Cheng cộng sự, 2013 tài liệu tham khảo bên trong) MICCP đóng vai trị giải pháp tiềm để bịt kín vết đứt gãy vùng rị rỉ có tính thấm cao Việc lưu trữ CO2 tăng cường MICCP cách tăng CO hòa tan (như cacbonat bicacbonat) nước hình thành bề mặt kết tủa CO hịa tan khống chất cacbonat (Mitchell cộng sự, 2010) Trình tự CO2 vi khuẩn CA từ phân lập vi khuẩn khác nhiều người gần cho thấy (Ramanan cộng sự, 2009; Wanjari cộng sự, 2011; Yadav cộng sự, 2011) Mitchell cộng (2010) Phillips cộng (2013) đề xuất MICCP để bảo vệ xi măng giếng khỏi CO siêu tới hạn, cắm vết nứt siêu nhỏ gần môi trường giếng khoan giảm khả thẩm thấu đất đá nắp Dupraz cộng (2009a, b) điều tra S pasteurii nước ngầm nhân tạo để xác định chuyển hóa CO2 thành pha cacbonat rắn (bẫy khoáng) Mitchell cộng (2010) chứng minh pH tăng, DIC tăng CO2 (g) giảm dần Người ta kết luận MICCP điều khiển phân giải urê lớp bề mặt có khả làm tăng độ an toàn CO lâu dài kho Kupriyanova cộng (2007) nghiên cứu lắng đọng thành công CaCO3 CA ngoại bào M chthonoplastes vi khuẩn lam Việc ứng dụng thành công Calcite sinh học vi khuẩn để cải thiện cường độ nén vữa bê tông số nghiên cứu báo cáo (Bang cộng sự, 2001; Ramachandran, 2001; Ghosh cộng sự, 2005; De Muynck cộng sự, 2008a, b; Jonkers cộng sự, 2010; Park cộng sự, 2010; Achal cộng sự, 2011a, c) Trong tất cơng trình này, vi khuẩn phân giải urê khác áp dụng (Bảng 1) tất cải thiện đặc tính mẫu bê tơng xi măng mức độ đáng kể Ramakrishnan cộng (1998) nhận thấy gia tăng sức đề kháng tinh thể Calcite kết tủa vi khuẩn nước đá vơi nhận thấy kích thước lỗ chân lông chất giảm đáng kể mẫu vật xử lý De Muynck cộng (2013) báo cáo B sphaericus trở thành biến dạng hiệu để hợp mẫu đá vôi khoảng nhiệt độ (10, 20, 28, 37◦C) Sự phân lập dẫn đến giảm 64% trọng lượng dùng sóng siêu âm giảm 46% khả biến dạng mẫu đá vôi qua xử lý so với mẫu đối chứng.De Muynck cộng (2011) gần áp dụng Calcite vi khuẩn hai loại đá: vi xốp đá vĩ mô Họ báo cáo ứng dụng cacbonat vi khuẩn thành cơng đá macroporous, nơi xuất mức độ lớn độ sâu lớn so với đá vi mô Bảng 1: Tổng quan ứng dụng khác trongg calcite vi sinh sử dụng làm chất gia cường sinh học vật liệu kết dính Sinh vật ứng dụng Xi măng cối Bacillus cereus Giải pháp Tác giả Nutrical Calcite bioconcept Le Metayer-Levrel cộng sự, 1999 447 Bacillus pasteurii SF Stocks-Fischer cộng sự, 1999; Ramachandran, 2001 Tăng trưởng De Belie De hậu vết nứt q trình sinh học Muynck, 2008 bê tơng Trung bình Biện pháp khắc phục Bacillus sphaericus Bacillus pasteurii SF Ramachandran, 2001 Shewanella Vô trùng Ghosh cộng sự, 2005 Sporosarcina Môi trường CSL urê, Mukherjee cộng sự, pasteurii Môi trường urê LML 2010 NB urê môi trường Tự chữa bệnh Bacillus Canxi lactat pseudifirmus Bacillus cophnii 448 Jonkers, 2007 Kết luận Sự kết tủa canxi carbonat vi sinh vật gây (MICCP) trình sinh học xảy tự nhiên Đây phương pháp có ứng dụng tiềm khơng gây nhiễm môi trường giới thiệu lĩnh vực cải tiến đất Các ứng dụng phương pháp cho thấy tiềm lĩnh vực khác cải thiện độ bền bê tơng, kết dính bê tông, gạch, độ cứng đất,… TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Zhang, W.; Ju, Y.; Zong, Y.; Qi, H.; Zhao, K In Situ Real-Time Study on Dynamics of Microbially Induced Calcium Carbonate Precipitation at a Single-Cell Level Environ Sci Technol 2018, 52, 9266– 9276 [2] Jongvivatsakul, P.; Janprasit, K.; Nuaklong, P.; Pungrasmi, W.; Likitlersuang, S Investigation of the crack healing performance in mortar using microbially induced calcium carbonate precipitation (MICP) method Constr Build Mater 2019, 212, 737–744 [3] Krajewska, B Urease-aided calcium carbonate mineralization for engineering applications: A review J Adv Res 2018, 13, 59–67 [4] Sun, X.; Miao, L.; Tong, T.; Wang, C Study of the effect of temperature on microbially induced carbonate precipitation Acta Geotech 2019, 14, 627–638 [5] Morales, L.; Garzón, E.; Romero, E.; Sánchez-Soto, P.J Microbiological induced carbonate (CaCO3) precipitation using clay phyllites to replace chemical stabilizers (cement or lime) Appl Clay Sci 2019, 174, 15–28 [6] Xuejiao Zhu, Jianyun Wang, Nele De Belie, Nico Boon - Complementing urea hydrolysis and nitrate reduction for improved microbially induced calcium carbonate precipitation, Applied Microbiology and Biotechnology 103 (21-22) (2019) 8825- 8838 [7] Nguyễn Ngọc Trí Huỳnh, Phạm Văn Hùng, Nghị Mai Phương Nguyễn Khánh Sơn – Sử dụng diatomite cố định vi khuẩn Bacillus subtilis Hu58 cho bê tơng tự liền vết nứt, Tạp chí khoa học Đạu học Thủ Dầu Một 32 (2017) 75-81 [8] Phạm Anh Vũ, Vũ Thị Tuyết Nhung, Nguyễn Hoàng Dũng, Trần Trung Kiên, Lê Quỳnh Loan, Huỳnh Thị Điệp, Trần Thị Mỹ Ngọc, Lê Tấn Hưng - Khảo sát ảnh hưởng số điều kiện nuôi cấy vi khuẩn Oceanobacillus sp đến việc tạo tủa calcite khả kết dính bê tơng, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Thực phẩm 21 (2) (2021) 89-99 449 ... tra khả tạo tinh thể vi khuẩn hang động phát tất tạo calcite ngoại trừ Bacillus sp., vaterites kết tủa Rodriguez-Navarroet al (2003) báo cáo M xanthus tạo kết tủa calcite vaterit Bằng chứng cho... tạo tủa calcite vi khuẩn Calcite thể đặc điểm bất thường gọi khả hịa tan ngược, có nghĩa trở nên hòa tan nước nhiệt độ tăng Khi tạo điều kiện thuận lợi cho kết tủa, Calcite lấp đầy vết đứt gãy tạo. .. cộng sự, 1991, 1996, 1998; Ferris Stehmeier, 1992; Stocks-Fischer cộng sự, 1999; Tiano cộng sự, 1999; Castanier cộng sự, 2000; Fujita cộng sự, 2000; RodriguezNavarro cộng sự, 2003) Ứng dụng kết